基于组播和QoS技术的IPTV网络构建

陶 骏 赵慧慧 沈 阳 颜云生 王雪梅

(1.安徽信息工程学院计算机软件与工程系, 安徽 芜湖 241000； 2.四川水电投资经营集团有限公司, 成都 611130)

随着科技的发展，集互联网、多媒体、通讯等技术于一体的IPTV(互联网协议电视技术)业务也发展迅速。该技术利用宽带网络传输数据信号,用家庭个人电脑作为终端接收设备,集互联网、多媒体通信等多种技术于一体，通过因特网网络协议(TCPIP)向终端用户提供包括数字电视和因特网服务在内的多种数字媒体服务[1]。

IPTV的视频节目通过流媒体技术在网络中进行传输。应用流媒体技术可将影像和声音信息压缩处理后变成流媒体信息，再将其存储到流媒体网络服务器中，而用户则可通过因特网一边下载流媒体信息，一边观看和收听，而不必等到整个多媒体文件下载完毕。流媒体技术通过RTP(实时传输协议)和RTCP(实时传输控制协议)来实现。IPTV业务对带宽和网络的可靠性要求较高，带宽可通过部署组播来解决，网络可靠性因素通过QoS(服务质量保障)技术解决。

1 IPTV承载网中的组播设计

1.1 组播技术

IP组播技术的出现及时解决了网络中用户数量不确定的问题。组播信息发送者(即组播源)仅发送一次信息,借助组播路由协议为组播数据包建立树形路由,被传递的消息在尽可能远的分叉路口才开始复制和分发。

组播的基本组织单位是组播组。组播组具有唯一的IP组播标识符,接收终端可以加入或退出组播组,加入组播组后的终端才有权限接收发往该组播组的数据。相比单播技术，用户数量的增加不会显著增加网络的负载；相比广播技术，组播数据仅仅会发送信息给组播组中的成员，从而节省了相应的网络资源。

组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题。利用组播技术，可以在网络上有效地提供一些增值服务，如在线直播、网络电视、远程教育、网络电视和视频会议等互联网信息服务。

1.2 组播IPTV承载网络设计

图1所示为IPTV承载网物理拓扑图。

图1 IPTV承载网物理拓扑图

组播步骤如下：

(1) 直播节目源流量，由一级中心的CMS(核心媒体系统节点)通过通讯运营商专线网络单播下发到CR路由器(核心路由器)，CR路由器通过单播方式下发到IPTV交换机，IPTV交换机通过单播方式下发到HMS(中间媒体系统节点)。

(2) HMS通过组播方式(PM-SM协议)将直播信号经过IPTV交换机和CR路由器发送到BRAS(宽带接入服务器)，HMS同时担当组播RP(汇聚)路由器。

(3) BRAS通过单播将直播信号经OLT(光线路终端设备)或者汇聚交换机发送到用户端机顶盒[2-3]。

1.3 直播信号的组播发送

组播发送方式为一点发送，同1个组播组内的成员多点接受，每1个直播频道对应1个组播组，构建1棵多播树，直播信号按照多播树模式发送。图2所示为BRAS下IPTV用户对应的多播树。

图2 BRAS下IPTV 用户对应的组播树

组播的重要优点之一是节省带宽。在多播树的最末端，根据用户情况进行数据包复制，多播树的上层则不需要进行数据包的复制；而单播发送时，在其每一条路由途径上都需要进行数据包复制。例如，BRAS下有3个用户同时观看中央一台，中央一台的直播信号流量约2 Mibs。如果采取单播方式发送，则每一条路径上都要进行直播信号对应的数据包复制，需要消耗带宽6 Mibs(3×2 Mibs)；而如果有5 000个用户同时观看，就需要消耗带宽10 Gibs(5 000×2 Mibs)，将会引起链路堵塞。采取组播方式发送时，多播树BRAS上的路径对应的中央一台直播流量都是2 Mibs，直到BRAS根据用户具体数进行复制。组播方式的流量明显低于单播方式[4-5]。图3所示为组播和直播的流量比较。

图3 组播和直播的流量比较

组播的缺点是，不能对流量进行负载均衡处理。因为多播树构建时没有环路，所以不能进行负载均衡处理。如果多播树中有一条路径出现问题，比如传输质量差或链路拥塞，就会引起直播信号组播转发的障碍，因此多播树中需要对组播流量提供服务质量保障。

2 IPTV承载网QoS设计

QoS设计的目的是有效地为用户提供从发送端到接收端的高质量服务或通讯。随着IP网络技术的发展，IP网络从单一的数据传送网络演进成集数据、语音、视频和图像信息的多业务网络。在IP网络中，QoS所保障的是网络投递数据分组的能力。

网络应用程序需要进行端到端的通讯,通讯需要跨越多个物理网络,经过多个网络设备。实现整体QoS有3种服务模式：尽力传送模型；集成服务模型；区别服务模型。

尽力传送模型尽最大努力将报文传送到目的地，但是不处理分组传送数据包的延迟、抖动和丢包等问题。集成服务模型在发送分组数据包前，需要向网络发送信令申请资源，收到终端的信令后，网络会为此终端预留资源，此服务会在短时间内消耗大量的网络资源。区分服务模型依靠边界路由器，根据多种条件对报文进行分类，对不同类型的报文提供了不同的QoS服务，形式灵活，消耗的网络资源少。

2.1 IPTV承载网中的QoS保障

部署QoS时，按照网络功能将网络分成二层网络和三层网络。二层网络以数据帧为单位转发数据，其主要设备有交换机、AP(无线接入点)、ONU(光网络单元)。三层网络以数据包为单位发送数据，其主要设备有路由器、三层交换机、OLT(光线路终端)、AC(无线控制器)。QoS部署网络见图4。

图4 QoS部署网络图

QoS的执行步骤依次为流分类、流量监管、流量整形、拥塞管理、拥塞避免。

(1) 流分类。在二层网络中，按照数据帧的802.1P字段进行流分类，分类的依据是终端的MAC地址。三层网络中，按照数据包的DSCP(差分服务点)进行流分类，分类的依据是终端的MAC地址。数据分3类：网络管理类、视频节目类和一般网络业务类。

(2) 流量监管。流量监管是指对进入网络设备的数据流量进行监管。当流量超出规格时，可以采取限制措施，本网络采取令牌桶和CAR(承诺访问速率)技术对一般网络业务类数据进行流量监管。

(3) 流量整形。流量整形是指对不符合预订流量特性的流量进行整形，保证网络上下游之间的带宽匹配，避免拥塞发生。流量整形相对于流量监管的优势是：只是对流量做缓冲，不对报文进行丢弃，满足报文的流量特性。本网络采取GTS(通用流量整形技术)对网络管理类和视频节目类数据进行流量整形[6-7]。

(4) 拥塞管理。拥塞管理是指数据包到达网络设备时，网络设备发送数据的速率低于网络包的到达速率，此时网络发生拥塞。拥塞管理一般采用排队技术，创建发送队列，根据队列进行发送调度。对应于流量的分类，本网络按发送顺序分为3个队列：网络管理类队列、视频节目类队列和一般网络业务类队列。在二层网络中使用PQ(优先级队列)发送数据，在三层网络中使用WFQ(加权公平队列)发送数据。

(5) 拥塞避免。拥塞避免是指通过监视网络资源，在网络有拥塞发生趋势时，通过调整网络的流量来解除网络拥塞。本网络通过部署RED(随机早期检测)来避免网络拥塞[8-9]。

2.2 网络业务效果

基于组播和QoS的IPTV承载网络构建之后，取得了良好的效果。组播技术降低了IPTV视频流业务的网络带宽需求，给企业节省了大量的网络资源；同时QoS技术满足了IPTV业务对高质量网络可靠性的要求，使丢包率、时延和抖动等各项网络参数都满足业务的需要，有效地保障了用户业务需求。假设用户数为20 000，单播方式下的路由器中继带宽为37.4 Gibs，而组播方式下的路由器中继带宽为14.6 Gibs。从HMS到用户端的网络时延对比见图5。

从上述分析可以看出，在网络中部署QoS和组播后，时延和带宽等参数得到了明显的优化[8-9]。

3 结 语

在以上内容中，介绍了基于组播和QoS技术的IPTV业务承载网络的构建。网络经过组播和QoS延迟后，IPTV承载网络的主要网络参数得到了提高和优化，为企业节省了网络资源。在此讨论了基于IP地址、VLAN和MAC物理地址的流量QoS网络构建，基于传输层UDP通讯端口的QoS是下一步的研究方向。

[1] 金纯,齐岩松.IPTV及其解决方案[M].北京：科学出版社,2006:45-60.

[2] DOUGLAS E C.用TCPIP进行网络互连:第2卷[M].北京：电子工业出版社，2009:149-157.

[3] 徐恪,吴建平,徐明伟.高等计算机网络[M].北京：电子工业出版社,2009:169-176.

[4] 刘莹,徐恪.Internet多播体系结构[M].北京：科学出版社，2008:100-105.

[5] 陶骏,匡磊.基于MPLS VPN和MDSP的跨域组播网络设计[J].计算机科学,2017(6)：381-384.

[6] 程春玲.一种支持多播的SNMPv3改进模型[J].计算机科学,2012(4):92-93.

[7] 陶骏， 沈阳， 王丽， 等.基于SDN的QoS多播网络仿真[J].大庆师范学院学报， 2017， 37(6):42-47.

[8] 颜云生， 陶骏， 夏傅仪， 等.基于AHP算法的电子书包评估系统[J]. 计算机系统及应用， 2017， 26(8)：49-54.

[9] 陶骏， 赵林， 王淼， 等.基于NAT和FIT AP的实验室无线网络构建[J].计算机与网络， 2017, 43(20)：68-71.